Dieselmaschine, insbesondere Grossdieselmotor, mit einem elektronische Module umfassenden steuerungssystem

Abstract

 Die Dieselmaschine weist ein elektronische Module (10) umfassendes Steuerungssystem (1) auf. Mit einem intermodularen Busleitungsystem (15) ist Information zwischen den Modulen übermittelbar. Zur Behebung von Ausfällen im Steuerungssystem stehen Ersatzmodule (100) zur Verfügung. Am intermodularen Busleitungsystem ist mindestens eine Anschlussstelle (150) für Ersatzmodule (100) vorgesehen. An dieser Anschlussstelle ist ein angeschlossenes Ersatzmodul selbsttätig durch das Steuerungssystem vorkonditionierbar. Es weden dabei ein spezifisches Betriebsprogramm geladen und Betriebsparameter aktualisiert. Das Ersatzmodul ist neben dem aktiv laufenden Steuerungssystem passiv bleibend im Leerlauf mitbetreibbar. Bei Versagen eines aktiven Moduls ist das Ersatzmodul zur Substitution des versagenden Moduls sofort einsatzbereit. Dabei wird an der Anschlussstelle des zu substituierenden Moduls am intermodularen Busleitungsystem das vorkonditionierte Ersatzmodul eingesetzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dieselmaschine, insbesondere einen Grossdieselmotor, mit einem elektronische Module umfassenden Steuerungssystem gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemässen Dieselmaschine sowie eine Verwendung dieser Maschine. Der Grossdieselmotor kann sowohl ein Zweitakt- als auch ein Viertakt-Dieselmotor sein.

[0002] Aus der EP-A- 0 989 297 ist eine Dieselmaschine mit einer Motorsteuerung bekannt, die durch ein aus elektronischen Modulen zusammengesetzten Steuerungssystem ausgeführt wird. Bei einem Motor wie dieser Dieselmaschine werden durch das Steuerungssystem lokale, nämlich Zylinder betreffende Funktionen und globale, den gesamten Motor betreffende Funktionen beeinflusst. Bei einem weiter entwickelten Grossdieselmotor (vgl. die nicht vorveröffentlichte Anmeldung EP04405073.0 = P.7386) umfasst das Steuerungssystem Module mit identisch ausgebildeten Logikschaltungen. Die Zylinder sind jeweils einem der Steuerungsmodule zugeordnet und die Logikschaltungen umfassen jeweils einen ersten und einen zweiten Funktionsteilbereich. Mit dem ersten Funktionsteilbereich ist der zugeordnete Zylinder steuerbar. Die globalen Funktionen werden durch eine auf die Module verteilte Steuerung beeinflusst, nämlich so, dass für mindestens einen Teil der Module mit jeweils dem zweiten Funktionsteilbereich in Zusammenspiel mit zweiten Funktionsteilbereichen der weiteren Module die globale Motorsteuerung in einer redundanten Weise durchgeführt werden kann.

[0003] Wird der Grossdieselmotor zum Antrieb eines Hochseeschiffs verwendet, so ist es notwendig, dass bei Versagen einzelner Teile des Steuerungssystems oder von Komponenten des Motors zumindest noch ein Teil der Motorleistung weiter zur Verfügung steht. Dazu muss die globale Motorsteuerung in ausreichendem Mass funktionstüchtig bleiben. Einzelne Zylinder können ausfallen, da die Maschine bei einem solchen Ausfall mit einer reduzierten Leistung weiter betreibbar ist. Einen permanent durchführbaren Betrieb der Maschine erreicht man, indem man diese in redundanter Weise steuert und auch bei den mechanischen Bestandteilen eine Redundanz durch mehrfachen Einbau einzelner Komponenten herstellt. Zu einer Hauptsteuerung, mit der die globale Motorsteuerung aktiv betrieben wird, lässt man simultan eine zweite, identische Steuerung laufen, die bezüglich der globalen Motorsteuerung passiv bleibend mitarbeitet, die aber im Bedarfsfall ohne Verzug in den aktiven Steuerungszustand umgeschaltet werden kann. Aufgrund der Redundanz bleibt im Fehlerfall zumindest ein Teil der Motorleistung aufrecht erhalten. Es ist für die lokale Steuerung nur je ein elektronisches Modul pro Zylinder vorgesehen. Bezüglich den globalen Funktionen mit deren elektronischen Systemkomponenten ist es erforderlich, dass mindestens ein zweites Mal die gleichen Systemkomponenten im Steuerungssystem enthalten sind.

[0004] Trotz der vorgesehenen Redundanz ist es notwendig, Ersatzmodule an Lager zu halten, um bei Ausfall eines Moduls Redundanz wieder herstellen zu können.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Dieselmaschine, bei der Ersatzmodule an Lager genommen sind, eine Ausführungsform zu schaffen, bei der sich der Einsatz und die Lagerhaltung der Ersatzmodule in einer vorteilhaften Art durchführen lässt. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Maschine gelöst.

[0006] Die Dieselmaschine, die insbesondere ein Grossdieselmotor ist, weist ein elektronische Module umfassendes Steuerungssystem auf. Mit einem intermodularen Busleitungsystem ist Information zwischen den Modulen übermittelbar. Zur Behebung von Ausfällen im Steuerungssystem stehen Ersatzmodule zur Verfügung. Am intermodularen Busleitungsystem ist mindestens eine Anschlussstelle für Ersatzmodule vorgesehen. An dieser Anschlussstelle ist ein angeschlossenes Ersatzmodul selbsttätig durch das Steuerungssystem vorkonditionierbar. Es weden dabei ein spezifisches Betriebsprogramm geladen und Betriebsparameter aktualisiert. Das Ersatzmodul ist neben dem aktiv laufenden Steuerungssystem passiv bleibend im Leerlauf mitbetreibbar. Bei Versagen eines aktiven Moduls ist das Ersatzmodul zur Substitution des versagenden Moduls sofort einsatzbereit. Dabei wird an der Anschlussstelle des zu substituierenden Moduls am intermodularen Busleitungsystem das vorkonditionierte Ersatzmodul eingesetzt.

[0007] Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 betreffen besondere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Dieselmaschine. Die Ansprüche 7 und 8 beziehen sich auf Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemässen Maschine, während eine Verwendung dieser Maschine Gegenstand des Anspruchs 9 ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

[0008] 

Fig. 1

einen zentralen Ausschnitt eines Grossdieselmotors, im Speziellen eines Zweitakt-Dieselmotors, und

Fig. 2

ein stark vereinfachtes Schema eines Steuerungssystems zu einer erfindungsgemässen Dieselmaschine.

[0009] Eine Dieselmaschine, beispielsweise der in Fig. 1 teilweise dargestellte Zweitakt-Grossdieselmotor, ist ein mehrere Zylinder 2 umfassender Motor, bei dem durch ein elektronisches Steuerungssystem 1 lokale, die Zylinder 2 betreffende Funktionen und globale, den gesamten Motor betreffende Funktionen beeinflussbar sind.

[0010] Die beim Beispiel des in Fig. 1 dargestellten Motors auftretenden Komponenten sind neben dem Steuerungssystem 1:

ein Gaswechselsystem 20 mit Gaswechselventil 21, Ventilkörper 211 und Kanal 212, durch den Luft zuführbar und Verbrennungsgase abführbar sind;

ein Einspritzsystem 30 zum volumetrischen oder zeitgesteuerten Einspeisen von flüssigem Brennstoff 300, der durch ein gesteuertes Einspritzorgan 32 und Düsen 22 (Düsenspitzen 22a, 22b) in einen Verbrennungsraum 23 zwischen dem Ventilkörper 211 und einem Kolben 24 einspritzbar ist;

Pumpen 31, 41 zum Zuführen des Brennstoffs 300 bzw. eines Steuermediums 400, das durch ein gesteuertes Einspeiseorgan 42 in das Gaswechselventil 21 förderbar ist;

ein Akkumulator 43 für das Steuermedium 400 und ein Akkumulator 33 für den Brennstoff 300, ein sogenanntes "Common Rail", wobei diese Akkumulatoren 33 und 43 einerseits mit den Pumpen 31 bzw. 41 und andererseits mit den Einspritzsystemen 30 bzw. den Gaswechselsystemen 20 aller Zylinder 2 verbunden sind.

[0011] Die Pumpen 31, 41 und Organe 32, 42 sind über signalübermittelnde Verbindungen 310, 410, 320 bzw. 420 an das Steuerungssystem 1 angeschlossen. Eine weitere Verbindung 210 führt zu einem Sensor des Gaswechselventils 21.

[0012] Zusätzliche, nicht dargestellte Komponenten des Motors sind:

ein hydraulisches System mit Organen zur Durchführung des Einspritzens sowie des Gaswechsels;

Winkelerfassung zur Synchronisation der lokalen und globalen Funktionen mit der Drehung einer vom Motor angetriebenen Welle; und

Vorrichtungen zum Regeln der Brennstoffzufuhr sowie des Gaswechsels und zur Steuerung einer Startluftzufuhr.

[0013] Die Fig. 2 zeigt Details zu einem besonderen Steuerungssystem 1 des erfindungsgemässen Dieselmotors. Das Steuerungssystem 1 umfasst - soweit es dargestellt ist - Steuerungsmodule 10, insbesondere Module 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f und ein Ersatzmodul 100, wobei alle genannten Module an ein intermodulares Busleitungsystem 15 angeschlossen sind, das zwecks Redudanz sich aus zwei Busleitungsteilsystemen 15a und 15b zusammensetzt. Mit dem intermodularen Busleitungsystem 15 ist Information zwischen den Modulen 10, einschliesslich den angeschlossenen Ersatzmodulen 100 übermittelbar. Weitere Komponenten des Steuerungssystems 1 sind ein Block 7, der sich auf einen ersten Teil von globalen Funktionen bezieht (z.B. Schiffsalarmsystem, Sicherheitssystem, Drehzahlregelung), und Aktoren 8a, 8b, 8c und 9a, 9b (engl. "actuators"), die sich auf einen weiteren Teil der globalen Funktionen beziehen. Der Block 7 wird redundant gesteuert, nämlich über zwei Busleitungsteilsysteme 17a, 17b und durch ein simultanes Betreiben von zwei Modulen 10a und 10b. Bei Ausfall eines der Module 10a oder 10b erhält der Block 7 weiterhin die für die Steuerung benötigte Information.

[0014] Es kann vorteilhaft sein, wenn mehr als ein Ersatzmodul 100 an das intermodulare Busleitungsystem 15 angeschlossen sind. Wie die Erfahrung zeigt, ist für ein elektronisches, im Leerlauf betriebenes Modul (d.h. Modul unter Spannung aber ohne Beanspruchung durch eine Last) eine längere Lebensdauer zu erwarten als für ein gelagertes Ersatzmodul, das an einem Lagerplatz ungünstigen Umwelteinflüssen (Kondenswasser aufgrund von Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen) ausgesetzt ist. Die am intermodularen Busleitungsystem 15 angeschlossenen Ersatzmodule 100 lassen sich vorteilhafterweise auch durch das Steuerungssystem hinsichtlich deren Funktionstüchtigkeit überwachen.

[0015] Alle Module 10 - und ebenso die am intermodularen Busleitungsystem 15 angeschlossenen Ersatzmodule 100 - sind oder werden mit einem identischen Betriebsprogramm ausgestattet, das spezifisch für die zu steuernde Dieselmaschine formuliert ist. Auch für die Betriebsparameter erhalten die Module 10 und Ersatzmodule 100 jeweils den gleichen Wertesatz, obwohl in der Regel nur ein Teil der Betriebsparameter für das individuelle Modul hinsichtlich dessen Funktionalität verfügbar sein muss. Die Integrierung der Module 10 im Steuerungssystem 1 wird z. B. durch Verbindungskabel mit Steckern hergestellt, wobei die Funktionalitäten der einzelnen Module 10 sich durch diese Verbindungen ergeben. Durch das Einstecken der Stecker an den für sie vorgesehenen Anschlussstellen wird die Funktionalität des individuellen Moduls 10 durch das Betriebsprogramm erkannt und aktiviert.

[0016] Die einzelnen Module 10 sind im Steuerungssystem 1 derart angeordnet und angeschlossen, dass zum Ersetzen eines defekten Moduls 10 lediglich Demontageeingriffe an diesem Modul 10 durchzuführen sind. Bei einem Entfernen eines einzelnen Moduls 10 bleibt das Steuerungssystem 1 weiter arbeitsfähig, dank einer Redundanz, wie sie in der Einleitung kurz beschrieben worden ist (nämlich in Form von jeweils zwei Funktionsteilbereichen der Logikschaltungen: mit dem ersten Funktionsteilbereich wird der zugeordnete Zylinder und mit den zweiten Funktionsteilbereichen werden die globalen Funktionen beeinflusst).

[0017] Für jedes Modul 10 ist ein Austausch mit dem oder einem Ersatzmodul 100 durchführbar. Am intermodularen Busleitungsystem ist mindestens eine Anschlussstelle 150 für Ersatzmodule 100 vorgesehen. Nach Anschliessen eines aus dem Lager bezogenen Ersatzmoduls 100 wird dieses selbsttätig durch das Steuerungssystem vorkonditioniert: es wird ein für die zu steuernde Dieselmaschine erstelltes Betriebsprogramm geladen oder aktualisiert; und den Betriebsparametern werden spezifische Werte zugeordnet. Das angeschlossene Ersatzmodul 100 wird neben dem aktiv laufenden Steuerungssystem 1 passiv bleibend im Leerlauf mitbetrieben. Bei Versagen eines aktiven Moduls 10 steht das Ersatzmodul 100 zur Substitution des defekten Moduls 10 sofort zur Verfügung, wobei an der Anschlussstelle 150 des zu substituierenden Moduls 10 am intermodularen Busleitungsystem 15 neu das vorkonditionierte Ersatzmodul 100 eingesetzt wird.

[0018] Das Vorkonditionieren des Ersatzmoduls 100 erfordert eine Zeitdauer, die bedeutend länger ist als die für den Modulaustausch benötigte Dauer. Daher gibt es für die erfindungsgemässe Dieselmaschine mit vorkonditioniertem Ersatzmodul 100 eine Zeitersparnis im Vergleich zu einer Maschine, bei der nach einem Modulaustausch am intermodularen Busleitungsystem 15 zuerst noch ein Laden des Ersatzmoduls 100 mit dem Betriebsprogramm und den Betriebsparametern vorgenommen werden muss.

[0019] Das in Fig. 2 am intermodularen Bussystem 15 angeschlossene Ersatzmodul 100 stellt als "Gateway" eine Anschlussstelle zu einem Peripheriegerät 5 her, das einen Konverter 105 und eine Konsole 6 umfasst, wobei zwischen dieser Konsole 6 und dem Steuerungssystem 1 ein Informationsaustausch durchführbar ist. Ein "Gateway" ist eine Systemkomponente, die das intermodulare Bussystem 15 gegen externe elektrische Störeinflüsse abschirmt, die aus der Umgebung schädigend einwirken könnten. Das "Gateway" lässt nur die für den Informationsaustausch erforderlichen Signale passieren.

[0020] In der Regel wird eine Mehrzahl von Ersatzmodulen 100 an Lager genommen. Es kann dann hilfreich sein, wenn an den Anschlussstellen 150 für die Ersatzmodule 100, die am intermodularen Busleitungsystem 15 angeordnet sind, die Ersatzmodule 100 ausgetauscht werden, um so Vorkonditionierungen vorzunehmen und die so vorkonditionierten Ersatzmodule 100 an Lager zu nehmen. Diese Ersatzmodule 100 eignen sich für einen direkten Ersatz von defekten Modulen 10 derart, dass sie sofort einsatzbereit sind und nicht noch vor ihrem Einsatz konditioniert, d.h. mit dem Betriebsprogramm geladen und Betriebsparameter aktualisiert werden müssen.

[0021] Die Steuerungssysteme 1 der erfindungsgemässen Dieselmaschine sind insbesondere zur Verwendung auf einem Hochseeschiff vorgesehen, auf dem die Maschine eine Schiffsantriebswelle dreht. Die Steuerungsmodule 10 weisen für diese Verwendung Ein- und Ausgänge auf, durch die sie Information unter anderem mit einem Schiffsalarmsystem, einem Sicherheitssystem und einer elektronischen Drehzahlregelung der Schiffsantriebswelle austauschen können, so dass mit dieser Information das Steuerungssystem 1 zusätzlich beeinflussbar ist.

[0022] Die Aktoren 8a, 8b, 8c und 9a, 9b sind in einer Redundanz erzeugenden Anzahl vorhanden. Sie sind über Busleitungsysteme 18a, 18b und 18c an Module 10, nämlich die Module 10c, 10d bzw. 10e, angeschlossen. Bei Ausfall eines Aktors wird mit den entsprechenden Modulen 10 eine Anpassung beim Betrieb der intakten Aktoren bewirkt. Die Aktoren 8a, 8b sowie 8c sind beispielsweise drei Pumpen für ein Servo-Öl und die Aktoren 9a sowie 9b Pumpen für den Brennstoff 300, der in den Akkumulator 33 einzuspeisen ist. Bei Ausfall beispielsweise des Aktors 8a wird mit den entsprechenden Modulen 10d und 10e des Steuerungssystems 1 eine Anpassung beim Betrieb der intakten Aktoren 8b und 8c bewirkt. Es kann dabei mit zwei der drei Aktoren der Bedarf an Servo-Öl gedeckt werden, indem die Förderleistung der beiden intakten Aktoren 8b und 8c entsprechend vergössert wird. Bei Ausfall eines der den Aktoren 8a, 8b, 8c zugeordneten Module 10c, 10d oder 10e stellt der entsprechende Aktor 8a, 8b bzw. 8c ebenfalls seinen Betrieb ein, was aber dank der Redundanz dieser Aktoren 8a, 8b, 8c nicht zu einem Ausfall der gesamten Maschine führt.

Ansprüche

1. Dieselmaschine, insbesondere Grossdieselmotor, mit einem elektronische Module (10) umfassenden Steuerungssystem (1), wobei mit einem intermodularen Busleitungsystem (15) Information zwischen den Modulen übermittelbar ist und zur Behebung von Ausfällen im Steuerungssystem Ersatzmodule (100) zur Verfügung stehen,
dadurch gekennzeichnet, dass am intermodularen Busleitungsystem mindestens eine Anschlussstelle (150) für Ersatzmodule (100) vorgesehen ist, an der ein angeschlossenes Ersatzmodul selbsttätig durch das Steuerungssystem vorkonditionierbar ist, nämlich durch Laden mit einem spezifischen Betriebsprogramm und Aktualisierung von Betriebsparametern, dass dieses Ersatzmodul neben dem aktiv laufenden Steuerungssystem passiv bleibend im Leerlauf mitbetreibbar ist und dass bei Versagen eines aktiven Moduls das Ersatzmodul zur Substitution des versagenden Moduls sofort einsatzbereit ist, wobei an der Anschlussstelle des zu substituierenden Moduls am intermodularen Busleitungsystem das vorkonditionierte Ersatzmodul einzusetzen ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine ein mehrere Zylinder (2) umfassender Motor ist, bei dem durch das Steuerungssystem (1) lokale, die Zylinder betreffende Funktionen und globale, den gesamten Motor betreffende Funktionen beeinflussbar sind, dass jeder Zylinder einem Modul (10) des Steuerungssystems zugeordnet ist, dass jeder dieser Steuerungsmodule (10) eine identisch ausgebildete Logikschaltung mit einem ersten und einem zweiten Funktionsteilbereich umfasst, dass mit dem ersten Funktionsteilbereich der zugeordnete Zylinder steuerbar ist und dass die globalen Funktionen durch eine auf die Module verteilte Steuerung beeinflussbar sind, nämlich so, dass für mindestens einen Teil der Module mit jeweils dem zweiten Funktionsteilbereich in Zusammenspiel mit zweiten Funktionsteilbereichen der weiteren Module die globale Motorsteuerung in einer redundanten Weise durchführbar ist, wobei in einem Fehlerfall aufgrund der Redundanz zumindest ein Teil der Motorleistung aufrecht erhalten bleibt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen und globalen Funktionen durch ein simultanes Betreiben der Module (10) mit identischem Betriebsprogramm durchführbar sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das am intermodularen Bussystem (15) angeschlossene Ersatzmodul (100) als "Gateway" eine Anschlussstelle (150) zu einem Peripheriegerät (5) herstellt, mittels dem ein Informationsaustausch mit dem Steuerungssystem (1) ausführbar ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Module (10) im Steuerungssystem (1) derart angeordnet und angeschlossen sind, dass zum Ersetzen eines defekten Moduls lediglich lokale Demontageeingriffe an diesem Modul durchzuführen sind, und dass beim Fehlen eines einzelnen Moduls das Steuerungssystem weiter arbeitsfähig bleibt.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (10) des Steuerungssystems (1) jeweils mit folgenden Komponenten des Motors in signalübermittelnder Verbindung (100) stehen:

- einem Einspritzsystem (30) für den zugeordneten Zylinder (2) zum Einspeisen von flüssigem Brennstoff (300),

- einem Gaswechselsystem (20) für den zugeordneten Zylinder,

- Pumpen (31,41) zum Zuführen des Brennstoffs und eines Steuermediums (400),

- einem Akkumulator (43) für das Steuermedium und einem Akkumulator (33) für den Brennstoff, einem sogenannten "Common Rail", wobei diese Akkumulatoren mit den Pumpen, den Einspritzsystemen und den Gaswechselsystemen verbunden sind,

- einem hydraulischen System mit Organen zur Durchführung des Einspritzens und des Gaswechsels,

- Winkelerfassung zur Synchronisation der lokalen und globalen Funktionen mit der Drehung der vom Motor angetriebenen Welle, und

- Vorrichtungen zum Regeln der Brennstoffzufuhr sowie des Gaswechsels und zur Steuerung einer Startluftzufuhr.

7. Verfahren zum Betreiben einer Dieselmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Steuerungssystem (1) eine Mehrzahl von Ersatzmodulen (100) an Lager genommen wird und dass am intermodularen Busleitungsystem (15) Ersatzmodule an den Anschlussstellen (150) für die Ersatzmodule ausgetauscht werden, um vorkonditionierte Ersatzmodule an Lager zu nehmen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die am intermodularen Busleitungsystem (15) angeschlossenen Ersatzmodule (100) durch das Steuerungssystem (1) hinsichtlich deren Funktionstüchtigkeit überwacht werden.

9. Verwendung einer Maschine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einem Hochseeschiff zum Drehen einer Schiffsantriebswelle, wobei die Steuerungsmodule (10) Signaleingänge aufweisen, durch die sie Information unter anderem von einem Schiffsalarmsystem, von einem Sicherheitssystem und von einer elektronischen Drehzahlregelung der Schiffsantriebswelle zur Beeinflussung des Steuerungssystems (1) empfangen können.

Zeichnung